# Beispiel-Abbildung erstellen
ggplot(df_spiro_beispiel, aes(x = t_s)) +
geom_line(aes(y = `V'O2`), color = "#1CADE4", size = 1) +
geom_line(aes(y = `V'CO2`), color = "#EF5350", size = 1) +
scale_x_continuous(limits = c(0, max(df_spiro_beispiel$t_s)),breaks = seq(0, max(df_spiro_beispiel$t_s), 100),
expand = c(0, 0)) +
scale_y_continuous(limits = c(0, 5),breaks = seq(0, 5, 1.0), labels = function(x) sprintf("%.1f", x)) +
labs(x = "Zeit [s]", y = "V̇O₂ & V̇CO₂ [l · min⁻¹]") +
theme_minimal()Verteidigung-Masterarbeit
Empirische Studie zum Wirkungsgrad:
Ein Vergleich zwischen sitzendem und stehendem Fahren auf dem Fahrradergometer
Verfasser:
Johannes Joachim Richard Will
Betreuerin:
Dr. Martina Clauß
Gutachterinnen:
Dr. Martina Clauß
Dr. Anna Katharina Dunst
Datum:
11.02.2025
Umsetzung der Arbeit als Webseite
- Verwendung der Open-Source-Programmiersprache R und Quarto
- Ermöglicht die Erstellung von Dokumenten, Präsentationen, Büchern oder Webseiten
- Unterstützung mehrerer Programmiersprachen (R, Python, Julia…)
- Mithilfe von GitHub eine öffentlich zugängliche Webseite erstellt
Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit
- Integration und Ausführung von Code-Segmenten direkt in der Arbeit
- Erweiterte Möglichkeiten der Datenvisualisierung
Wirkungsgrad beim sitzenden und stehenden Radfahren
- Wirkungsgrad als zentrale Größe der Energiekonversion beim Radfahren
- Präzise Berechnung möglich durch:
- Messbare externe mechanische Leistung
- Messbaren metabolischen Energieumsatz
- Forschungsschwerpunkt auf sitzender Position
- Stehende Position trotz praktischer Relevanz wenig untersucht:
- 22-34% der Fahrtzeit bei Bergaufzeitfahren im Stehen (Steigung 5-7%)
→ Wirkungsgrad ein leistungsdeterminierender Parameter
→ Fahren im Stehen eine energetisch gleichwertige Alternative?
Unterschiede: Sitzen vs. Stehen
Biomechanische Unterschiede:
- Körperschwerpunkt nach vorne verlagert
- Höhere tangentiale Pedalkräfte
- Niedrigere selbstgewählte Trittrate bei vergleichbarer Belastung
- Zusätzliche Freiheitsgrade durch laterale Schwingungsmöglichkeit
- Körpermasse nicht durch Sattel gestützt
Veränderte Muskelaktivierung:
- ↓ Untere Beinmuskulatur
- ↑ Obere Beinmuskulatur
- ↑ Rumpf- & Oberkörpermuskulatur
Unterschiede: Sitzen vs. Stehen
Intensitätsabhängige Effekte:
- Höhere maximale Kurzzeitleistung (30s) im Stehen möglich (+26%)
- Metabolischen Beanspruchungsparameter (\(\dot{V}O_{2,max}\) & Herzrate):
- Submaximal (<80% \(\dot{V}O_{2,max}\)): Erhöhte metabolische Beanspruchung im Stehen
- Hochintensiv (>80% \(\dot{V}O_{2,max}\)): Angleichung zwischen den Positionen
Gesamtwirkungsgrad (ηTotal)
- Berücksichtigt die anaeroben Komponenten des Energieumsatzes
- \(\scriptsize \text{W}_{Tot} = \text{W}_{Aerob} + \text{W}_{BLC} + \text{W}_{PCr}\)
- Abhängig von der Trittrate
\[ \scriptsize \text{η}_{Total} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe}} \]
Metabolische Arbeit
Mechanische Arbeit
ηTotal
→
≈
? %
Aerobe Energiekomponente (WAerob)
Messung des Sauerstoffvolumenstrom in Ruhe \(\dot{V}O_{2, Ruhe}(t)\) mittels Spirometrie und des kalorischen Äquivalents (kÄ) anhand des individuell gemessenen RQ (t)
Berechnung von WAerob:
\[ \scriptsize \dot{V}O_{2,Netto}(t) = \dot{V}O_{2,Belastung}(t) - \dot{V}O_{2,Ruhe}(t) \\ \scriptsize W_{Aerob} = \overline{\dot{V}O_{2,Netto}} \cdot \overline{kÄ}_{Bel} \cdot t \]
Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)
- Bestimmung durch Excess Post-Exercise Oxygen Consumption (EPOC)
- Sauerstoffmenge nach Belastungsende über dem Ruhebedarf
- EPOCfast: ATP/PCr- und O2-Speicher Wiederauffüllung (alaktazide anaerobe Energiebereitstellung)
- EPOCslow: Metabolische Nachbelastungseffekte (Sympathikusaktivität, HKS, Laktat)
Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)
- Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:
\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]
- Bestimmung von \(\tau\) zur Abgrenzung der Komponenten
\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A \cdot e^{-(t / \tau)} + C \]
Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)
- Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:
\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]
- Modellierung der EPOCslow
\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC, slow}\,(t) = A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]
Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)
- Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:
\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]
- Modellierung der EPOCfast
Mechanische Gesamtarbeit
- Die mechanische Gesamtarbeit beim Radfahren setzt sich aus zwei Komponenten zusammen:
\[ \scriptsize \text{Mechanische Gesamtarbeit}\,\text{(W}_{mech,Tot}\text{)} = \text{Mechanischen Arbeit}\,\text{(W}_{mech}\text{)} + \text{Innere Arbeit}\,\text{(W}_{Int}\text{)} \]
Mechanische Arbeit (Wmech)
- Quantifizierung der mechanischen Arbeit (Wmech)
- Tangentialdrehmomente (\(M_T(\theta)\)) beider Pedale erfasst
- Winkelgeschwindigkeit (\(\omega(\theta)\)) der Tretkurbel erfasst
- \(\bar{P}_{mech}(\theta) = \bar{M}_T(\theta) \cdot \bar{\omega}(\theta)\)
- \(\bar{P}_{mech} = \bar{P}_{mech,links} + \bar{P}_{mech,rechts}\)
- \(W_{mech} = \frac{\bar{P}_{mech} \cdot t}{1000}\)
Tangentialleistung
Innere Arbeit (WInt)
- Beschreibt die energetischen Aufwendungen für die Bewegung der unteren Extremitäten zur Aufrechterhaltung der zyklischen Tretbewegung
- Segmente der unteren Extremitäten bewegen sich entlang eines spezifischen Pfades
- Aus physikalischer Perspektive entsteht dabei keine Nettoarbeit
